張坤　康社仁

摘 要：本文論述的是一種環(huán)繞立體聲設(shè)計(jì)方案及實(shí)施辦法，是一種新型的設(shè)計(jì)思路，不同于現(xiàn)有的對(duì)稱式或者多元化揚(yáng)聲器單元布局模式，是以三聲道方式呈現(xiàn)，揚(yáng)聲器面向四周的空間。并應(yīng)用軟件的算法處理，以相對(duì)簡(jiǎn)潔有效的辦法構(gòu)成三維立體聲場(chǎng)，獲得良好的環(huán)繞聲效果。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且體積小，可隨意擺放，擺脫了現(xiàn)在人們欣賞環(huán)繞聲對(duì)聲源、器材、聽音空間等的約束，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適合一般的殿堂級(jí)、家居休閑及電腦多媒體播放環(huán)境。

關(guān)鍵詞：環(huán)繞聲；DSP；聲道；HRTF

現(xiàn)代音響工程屬于聲學(xué)，影音藝術(shù)與電聲技術(shù)的交叉科學(xué)領(lǐng)域，隨著社會(huì)進(jìn)步及人民生活水平提高，音響技術(shù)飛速發(fā)展，若從聲音采集和重放模式的發(fā)展歷程看，大致可分為單聲道、雙聲道、多聲道環(huán)繞立體聲三個(gè)階段。

單聲道：它比較原始的聲音復(fù)制形式，早期的聲卡采用較普遍。當(dāng)通過兩個(gè)揚(yáng)聲器回放單聲道信息時(shí)，可明顯感覺到聲音是從兩個(gè)音箱傳遞到我們耳朵里。這種缺乏位置感的簡(jiǎn)單聲音重放方式如今已很少見。

雙聲道：雙聲道技術(shù)改變了單聲道缺乏對(duì)聲音位置定位這一狀況，這也是立體聲的概念。聲音在錄制過程中被分配到兩個(gè)獨(dú)立聲道，達(dá)到很好的聲音定位效果。這種技術(shù)在音樂欣賞中顯得尤為有用，聽眾可清晰分辨出各種樂器的方向，使音樂更富想象力，更接近臨場(chǎng)感受。

多聲道：隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們開始希望在聆聽音樂時(shí)能有身臨其境的感受。傳統(tǒng)的立體聲系統(tǒng)正在逐漸被環(huán)繞聲所取代，這就是三維音效。它主旨是為人們帶來(lái)一個(gè)虛擬的聲音環(huán)境。要達(dá)到這一效果僅依靠?jī)芍灰粝溥h(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，1977年杜比實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出多聲道環(huán)繞系統(tǒng)-Dolby Stereo（杜比立體聲），音響系統(tǒng)進(jìn)入5.1聲道發(fā)展的新局面。

5.1聲道聲場(chǎng)的全方位三維空間感無(wú)疑可給聽眾一種鮮活的，置身于其中的臨場(chǎng)感受，已成為目前音響發(fā)展的主流。但也有弊端，復(fù)雜的音箱布局結(jié)構(gòu)，對(duì)空間的大量占用及相對(duì)高昂的價(jià)格使它直至目前遠(yuǎn)沒有雙聲道的立體聲音響那么普及。

本文所要探討的是一種相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)用的新型三維環(huán)繞聲場(chǎng)系統(tǒng)及由此產(chǎn)生的音響實(shí)體。

1 設(shè)計(jì)理念

這是一種三聲道音響架構(gòu)，通過DSP技術(shù)運(yùn)用，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)的深度處理，產(chǎn)生出來(lái)一種環(huán)繞立體聲的聲場(chǎng)效果。從理論基礎(chǔ)上講它歸屬于又不同于SRS技術(shù)，確切地說(shuō)它是對(duì)SRS技術(shù)的突破和延伸。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這是一種聽音位置不受限制的環(huán)繞立體聲場(chǎng)系統(tǒng)，由3個(gè)聲道組成，但共用一個(gè)箱體，是一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，所以實(shí)質(zhì)上還是一個(gè)音箱。三個(gè)獨(dú)立聲道在空間上呈相隔120?的方向排列，整個(gè)音箱呈現(xiàn)等邊三角形的外形。對(duì)音箱的箱體容積及喇叭的口徑尺寸并不作特別限定，但最少不應(yīng)低于2寸。

三聲道布局

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造實(shí)體由3個(gè)全頻喇叭+低音喇叭組成，三個(gè)喇叭設(shè)計(jì)頻寬可定為100Hz～18KHz。W1～W3是3個(gè)低音喇叭的安放位置，固定喇叭以提升低頻份量。在這里用無(wú)源的聲學(xué)共振膜代替。3個(gè)聲學(xué)共振膜與3個(gè)全頻喇叭相互均勻間隔放置，并與三個(gè)喇叭處于同一平面，同樣相隔120?。于是形成一個(gè)3+3的圓周形布局結(jié)構(gòu)，而這三個(gè)聲道在物理空間上是相通的，即每個(gè)聲道不各自獨(dú)立，而是共用一個(gè)音箱腔體，使聆聽者無(wú)論身處音箱哪個(gè)角度，都會(huì)獲得均勻的聽覺感受。因它發(fā)出的聲音本身是面向四周的三維立體空間，并受各方向墻壁的反射與折射，更有助于三維立體聲場(chǎng)的形成。經(jīng)實(shí)地聲學(xué)測(cè)試，先后嘗試用四組、五組聲道的揚(yáng)聲器單元對(duì)比，發(fā)現(xiàn)以圓周形布局的聲道，采用三組單元即可達(dá)到預(yù)計(jì)的“較好程度”。

3 工作機(jī)理

該系統(tǒng)應(yīng)用DSP數(shù)據(jù)處理機(jī)制，外部輸入的音頻信號(hào)無(wú)論是數(shù)字還是模擬，都要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，通過DSP的算法分析，將處理后的音頻數(shù)據(jù)以不同成份輸出，三個(gè)聲道上得到不同音頻分量：CH1通道上分配的是L+R，CH2是L-R，CH3是R-L。這里每個(gè)聲道采用的是D類的功率放大器。

研究發(fā)現(xiàn)，人類耹聽系統(tǒng)由于耳廓、耳道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)正面和側(cè)面來(lái)的同樣聲音人耳感覺的頻響曲線不同。

在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，應(yīng)用DSP對(duì)音頻信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先將單純的L、R信號(hào)變?yōu)長(zhǎng)+R、L-R、R-L三個(gè)不同的音頻分量，然后通過一系列的算法進(jìn)一步處理包含反射聲的L-R和R-L互差信號(hào)，將它按上述b曲線軌跡提升。根據(jù)人耳感覺反射聲特定的頻響特性，把原有a曲線范圍內(nèi)的頻率補(bǔ)償強(qiáng)化，使人耳能聽到的如同側(cè)面進(jìn)入的音頻量，后輸送到CH2和CH3通道放大輸出。L+R信號(hào)中側(cè)重表現(xiàn)的是中央聲道的公共信息，包含所有的直接聲和中間聲（如對(duì)話、歌聲）；互差信號(hào)L-R、R-L則包含環(huán)繞聲信號(hào)，包括可分辯出的反射聲、回聲等。

而本設(shè)計(jì)在音頻份量的分配上與上面提到的SRS有根本性的不同，SRS的揚(yáng)聲器單元仍是建立在立體聲技術(shù)基礎(chǔ)上，但它是將處理后的音頻分量混合分配到L和R中。

經(jīng)過處理后重現(xiàn)聲場(chǎng)，符合HRTF聽音規(guī)則，聆聽者聽到的聲音是從空間中產(chǎn)生，而不是單從揚(yáng)聲器發(fā)出。而又因三個(gè)聲道的喇叭是朝向360?的空間，所以當(dāng)聲音從人的頭部上下、左右不同方向傳送到人耳時(shí)，會(huì)受到外耳廓不同角度的反射影響，發(fā)生不同的延伸和幅度、頻率變化，在人腦中就會(huì)產(chǎn)生出聲音的三維定位。

4 輔助設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)還包含低音單元的設(shè)計(jì)，類同于5.1聲道之".1"聲道（超低音）。W1～W3是低音單元的位置，這三個(gè)位置如果用實(shí)體的低音喇叭，只需在任何位置安放一低頻揚(yáng)聲器即可，但本設(shè)計(jì)采用的是三只無(wú)源的聲學(xué)共振膜替代實(shí)體的低音喇叭，這也是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)頗具特色之處。由于聲學(xué)共振的作用，用三只共振膜所產(chǎn)生的低頻提升，和用實(shí)體的喇叭幾乎是相差無(wú)幾的，由于三只對(duì)稱地呈圓周分布排列，更符合環(huán)繞聲特點(diǎn)，使聆聽者會(huì)感受到均勻的低頻分量。且無(wú)源聲學(xué)共振膜的應(yīng)用也減輕了放大器負(fù)擔(dān)，降低了功耗。

本系統(tǒng)另外一個(gè)特別之處是為此系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的可旋轉(zhuǎn)式的音箱支架。由于音箱的揚(yáng)聲器單元是面向四周360?空間的，這樣就使旋轉(zhuǎn)成為可能。以此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積小，可放置在旋轉(zhuǎn)式的箱體支架上轉(zhuǎn)動(dòng)，顯得特富動(dòng)感美。

綜上所述，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的聲道單元的空間物理布局結(jié)構(gòu)，加上數(shù)字信號(hào)處理的綜合作用，使整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)一個(gè)高中低音層次分明、有立體環(huán)繞聲音效的的三維聲場(chǎng)，且相對(duì)簡(jiǎn)單，僅一只音箱，體積小，有不受空間環(huán)境限制的隨意擺放性。

5 結(jié)束語(yǔ)

這種架構(gòu)的音響系統(tǒng)目前比較接近家庭， 我們無(wú)論坐在房間的任何位置，哪怕是在房間里走動(dòng)， 仍能接受到優(yōu)美動(dòng)聽的環(huán)繞聲效果。盡管它離理想的多聲道環(huán)繞立體聲還有一定差距，但它另辟溪徑，以獨(dú)特的三聲道架構(gòu)開創(chuàng)了一個(gè)環(huán)繞立體聲的新模式，且成本相對(duì)低廉，對(duì)空間的要求極低，使它具有較大的市場(chǎng)潛力及廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]施又麟.實(shí)用音響工程與調(diào)音技術(shù).四川科學(xué)技術(shù)出版社

[2][日]早板壽雄.電聲學(xué).電子工業(yè)出版社

[3]謝波蓀.多通路平面環(huán)繞聲系統(tǒng)的研究.博士論文，1998

[4]韓秀苓.數(shù)字音響和多媒體.北京科學(xué)技術(shù)出版社，1999

[5]謝興莆.立體聲原理.科學(xué)出版社，1981

[6]王興國(guó)，蔣偉峰.數(shù)字混響器設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào)，2000，28（7）：84-86

[7]彭妙顏，張承云.人工混響的設(shè)計(jì)方法[J].電聲技術(shù)，2006，30（1）：10-13

[8]張立材，王民.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京郵電大學(xué)出版社，1987

[9]李承智.人工混響算法[J].電聲技術(shù)，2002（10）：11-14

作者簡(jiǎn)介

張坤（1976-），男，漢族，河南周口市，河南南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程系，工程師，講師，主要從事電子產(chǎn)品及音響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)